Niederschlagsprojektionen für verschiedene Alpenregionen - Zukunftsabschätzungen jüngerer Projektstudien - Institut für Geographie, Universität ...
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Niederschlagsprojektionen
für verschiedene Alpenregionen –
Zukunftsabschätzungen jüngerer Projektstudien
Prof. Dr. Jucundus Jacobeit
Institut für Geographie, Universität Augsburg
Verbundprojekt „Virtuelles Alpenobservatorium“ (VAO)
Teilprojekt
Klimawandel und Wasserbilanz
in Hochgebirgsregionen
Universität Augsburg, Physische Geographie
LMU München, Department für Geographie
BOKU Wien, Water Management and Hydrology
ZAMG, Sonnblick-Observatorium
AG Klimaanalysen (Augsburg):
Dipl.-Geogr. Severin Kaspar
PD Dr. Andreas Philipp
Zugspitze
GoogleEarth 2015
GoogleEarth 2015
Verwendete Daten:
1. Stationsdaten:
Tägliche Niederschlags- und Temperaturmesswerte
Zugspitze ab August 1900 (DWD),
Sonnblick ab Oktober 1886 (ZAMG)
2. Großskalige Variablenfelder (z.B. Druck, Wind, Feuchte):
Tägliche Gitternetzdaten des 20th century reanalysis dataset
(horizontale Auflösung 2°, ab 1871)
3. Klimamodelldaten (für großskalige Variablenfelder):
GCM Modell- Institut Anzahl Realisationen
bezeichnung
MPI-ESM-LR Max-Planck-Institut für Meteorologie, Deutschland 3
HadGEM2-CC Met Office, United Kingdom 1
ACCESS1-0 CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial 1
Research Organisation) und BOM (Bureau of
Meteorology), Australien
CMCC-CMS CMCC (Centro Euro-Mediterraneo 1
per i Cambiamenti Climatici), Italien
IPSL-CM5A-LR IPSL (Institut Pierre Simon Laplace), Frankreich 1
Projektionen für zwei Zeiträume und zwei Szenarien:
- 2021-2050 sowie 2071-2100
- RCP 4.5 sowie RCP 8.5
Künstliche Neuronale Netze
k
n
Winter Sommer Gleitende Modell-Performance für den Niederschlag Zugspitze in aufeinanderfolgenden 16-jährigen Validierungs-Zeiträumen. Gütemaße: Erklärungsanteil (R²) und Mean Squared Skill Score (MSSS).
-1.5% +1.4% +2.1% +3.7% +11.4% +7.4% +12.5% +15.6%
Niederschlag
Zugspitze
1971-2000 2021-2050 2071-2100 1971-2000 2021-2050 2071-2100
DJF MAM
projizierte
Änderungen
(280 Modelle)
+7.7% +10.6% +8% +13.9% +7.2% +6.5% +3.8% +2.1%
1971-2000 2021-2050 2071-2100 1971-2000 2021-2050 2071-2100
JJA SON
+7.1% +9.5% +13.5% +20.9% +11% +8.8% +12.4% +17%
Niederschlag
1971-2000 2021-2050 2071-2100 1971-2000 2021-2050 2071-2100 Sonnblick
DJF MAM
projizierte
Änderungen
(280 Modelle)
+3.9% +6% +4.8% +7.6% +7.3% +7.7% +4.6% -1.7%
1971-2000 2021-2050 2071-2100 1971-2000 2021-2050 2071-2100
JJA SON
Zugspitze
Mittlere monatliche Niederschlags-
Abweichungen gegenüber 1971-2000
SonnblickWeather patterns,
cyclone tracks and
related precipitation
extremes
Augsburger Arbeitsgruppe:
Dipl.-Geogr. Markus Homann
PD Dr. Christoph Beck
PD Dr. Andreas PhilippDatengrundlagen 1951-2006:
- Täglicher gegitterter Niederschlagsdatensatz
(ZAMG, DWD mit 6 km horizontaler Auflösung)
- NCEP-Reanalysedaten atmosphärischer Variablenfelder
(z.B. Luftdruck, Vertikalbewegung, rel. Feuchtigkeit)
Projektionen globaler Klimamodelle
(insb. ECHAM6-ESM, ECEarth)
für zwei Zeiträume und zwei Szenarien:
- 2021-2050 sowie 2071-2100
- RCP 4.5 sowie RCP 8.5Regionen ähnlicher Niederschlagsvariabilität
FRÜHLING
Starkniederschlagssummen Region S-WEST (Frühling)
3-Jahressummen Lin.Trend
Tiefpassfilter 11 Jahre p-value = 0.0471
Mittelwert 1951-2006
N-WEST ERZG
MITTE OST
S-WEST N-STAU
Starkniederschlag: > 95% Perzentil
SÜD
Starkniederschlagssummen Region N-STAU (Frühling) Starkniederschlagssummen Region SÜD (Frühling)
3-Jahressummen 3-Jahressummen Lin.Trend
Lin.Trend Tiefpassfilter 11 Jahre
Tiefpassfilter 11 Jahre p-value = 0.4905 p-value = 0.0599
Mittelwert 1951-2006 Mittelwert 1951-20061. Ansatz: AUTOMATISCHE KLASSIFIKATION VON ZYKLONEN-ZUGBAHNEN
Vb
Hofstätter, M., Chimani, B., Lexer, A., and G. Blöschl: A stream-based
classification of European cyclone tracks (MWR, 2015)Zweiter Ansatz: - Klassifizierung von großskaligen Zirkulationstypen („Großwetterlagen“) - Ableitung von jahreszeitlichen Starkniederschlagshäufigkeiten und Starkniederschlagssummen in den Niederschlagsregionen aus der Auftrittshäufigkeit der großskaligen Zirkulationstypen - Zukunftsabschätzungen aus der veränderten Auftrittshäufigkeit der Zirkulationstypen in den globalen Klimamodellen
Domain 06 (Alps): 41N-52N, 3E-20E
primär verwendetes Klassifikationsverfahren: SANDRA (Simulated ANnealing and Diversified RAndomization) - mit unterschiedlich gewichteten Variablenfeldern (Bodenluftdruck, Vertikalbewegung u. rel. Feuchte 700-hPa-Niveau) - konditioniert (Einschluss regionaler Niederschlagszeitreihen) - regions- und jahreszeitenspezifisch - einheitliche Klassenanzahl 18
Prozentanteil der Zirkulationstypen (ZT) an den
Starkniederschlagstagen im Frühling in den
einzelnen Niederschlagsregionen
S-West N-Stau Süd
ZT1 0 5,81 0
ZT2 9,3 13,95 1,55
ZT3 1,94 4,26 55,04
ZT4 0 0 0
ZT5 0,39 0,39 0
ZT6 19,77 10,47 0,39
ZT7 5,81 6,2 1,94
ZT8 0 0 0
ZT9 6,59 0 0
ZT10 7,75 0,39 0
ZT11 4,65 10,47 20,54
ZT12 0 0 0
ZT13 34,11 9,69 5,04
ZT14 8,91 31,78 12,79
ZT15 0,39 0,39 0
ZT16 0,39 6,2 1,55
ZT17 0 0 0
ZT18 0 0 1,16Prozentanteil der Zirkulationstyp-Tage, die im Frühling
in den Niederschlagsregionen mit Starkniederschlag
verbunden sind
S-West N-Stau Süd
ZT1 0 4,52 0
ZT2 32,43 48,65 5,41
ZT3 2,67 5,88 75,94
ZT4 0 0 0
ZT5 0,2 0,2 0
ZT6 20,99 11,11 0,41
ZT7 88,24 94,12 29,41
ZT8 0 0 0
ZT9 5,76 0 0
ZT10 13,33 0,67 0
ZT11 22,22 50 98,15
ZT12 0 0 0
ZT13 98,88 28,09 14,61
ZT14 27,38 97,62 39,29
ZT15 0,17 0,17 0
ZT16 1,04 16,67 4,17
ZT17 0 0 0
ZT18 0 0 0,78Zentroide ZT 7, Frühjahr 1951-2006 Mean Sea Level Pressure (MSLP) vertikale Luftbewegung (Omega) Relative Feuchte (Rhum) Tägliche Niederschlagsrate (Prec)
Zentroide ZT 13, Frühjahr 1951-2006 MSLP Omega Rhum Prec
Zentroide ZT 14, Frühjahr 1951-2006 MSLP Omega Rhum Prec
Zentroide ZT 3, Frühjahr 1951-2006 MSLP Omega Rhum Prec
Zentroide ZT 11, Frühjahr 1951-2006 MSLP Omega Rhum Prec
Häufigkeiten Zirkulationstypen Frühjahr (MAM)
starkniederschlagsrelevantFrühling Subpolarer Tiefdruck (N und W) Cut-off low (S)
Multiple lineare Regressionsmodelle für saisonalen Starkniederschlag
Prädiktoren: monatliche Häufigkeiten der Zirkulationstypen
Jeweils 5 Modelle mit 5 verschiedenen Kalibrierungs- und Validierungsperioden
Erklärte Varianz der Starkniederschlagssumme Erklärte Varianz der Starkniederschlagssumme
in den Validierungszeiträumen, Winter in den Validierungszeiträumen, Sommer
Regionale und jahreszeitliche Unterschiede (höchste Modellgüte im Winter)
Hinweis auf zeitliche Instationaritäten der Prädiktor-Prädiktand-Beziehungen (v.a. im Sommer)1a: ECHAM6, Frühling 1b: ECHAM5, Frühling
Signifikanz (alpha=0.05) Signifikanz (alpha=0.05)
1c: EC-Earth, Frühling
Signifikanz (alpha=0.05) Prozentuale Häufigkeitsänderungen
der Zirkulationstypen im Frühling
zwischen den Projektions-Zeiträumen
(2021-2050 und 2071-2100)
und dem Referenz-Zeitraum (1971-2000).
Bei mehreren Realisationen sind das
Ensemble-Mittel und die Spannweite
aufgetragen.
starkniederschlagsrelevantStarkniederschlagshäufigkeiten Frühling, % Veränderungen gegenüber 1971-2000,
basierend auf ECHAM6-Prädiktoren
* 95% Signifikanz
*
*
Zunahme nördliche Regionen (bis +12%)
Abnahme „SÜD“ (bis -7%)Starkniederschlagssummen Frühling, % Veränderungen gegenüber 1971-2000,
basierend auf ECHAM6-Prädiktoren
* 95% Signifikanz
*
*
Zunahme nördliche Regionen (bis +13%)
Abnahme „SÜD“ (bis -8%)Prozentuale Änderungen der Starkniederschlagssummen
Prädiktoren verschiedener GCMs, Frühling
Änderungen der Ensemble-Mittel gegenüber 1971-2000
einschließlich 95% Konfidenz-IntervalleProzentanteil der Zirkulationstyp-Tage,
die in den sommerlichen Niederschlagsregionen
mit Starkniederschlag verbunden sind
S-West N-Stau Süd
ZT1 7,4 25,9 0
ZT2 30,8 4,1 0,6
ZT3 0,5 1 47,2
ZT4 0 0 0
ZT5 67,9 96,4 71,4
ZT6 4,4 52,2 4,4
ZT7 0 0 0
ZT8 29,9 30,4 5,6
ZT9 26,1 36 99,1
ZT10 0 0,3 0
ZT11 0 0 0,3
ZT12 0 0 0
ZT13 0 0 0
ZT14 0 0,7 0
ZT15 93,9 62,1 15,2
ZT16 5,8 0 0
ZT17 0 1,2 2,4
ZT18 0 0 0Zentroide ZT 5, Sommer 1951-2006 MSLP Omega Rhum Prec
Zentroide ZT 15, Sommer 1951-2006 MSLP Omega Rhum Prec
Zentroide ZT 9, Sommer 1951-2006 MSLP Omega Rhum Prec
Häufigkeiten Zirkulationstypen Sommer (JJA)
starkniederschlagsrelevant2a: ECHAM6, Sommer 2b: ECHAM5, Sommer
Signifikanz (alpha=0.05) Signifikanz (alpha=0.05)
2c: EC-Earth, Sommer
Signifikanz (alpha=0.05) Prozentuale Häufigkeitsänderungen
der Zirkulationstypen im Sommer
zwischen den Projektions-Zeiträumen
(2021-2050 und 2071-2100)
und dem Referenz-Zeitraum (1971-2000).
Bei mehreren Realisationen sind das
Ensemble-Mittel und die Spannweite
aufgetragen.
starkniederschlagsrelevantStarkniederschlagshäufigkeiten Sommer, % Veränderungen gegenüber 1971-2000,
basierend auf ECHAM6-Prädiktoren
* 95% Signifikanz
* * * *
*
** * * * * * *
* *
*
2021-2050 überwiegend Zunahme bei RCP8.5 (bis +10%)
Abnahmen 2071-2100 (bis -16%) insb. bei RCP8.5Starkniederschlagssummen Sommer, % Veränderungen gegenüber 1971-2000,
basierend auf ECHAM6-Prädiktoren
* 95% Signifikanz
* * * * *
** * * * * * *
* *
*
2021-2050 überwiegend Zunahme bei RCP8.5 (bis +10%)
Abnahmen 2071-2100 (bis -16%) insb. bei RCP8.5Prozentuale Änderung der Starkniederschlagssummen
Prädiktoren verschiedener GCMs, Sommer
Änderungen der Ensemble-Mittel gegenüber 1971-2000
einschließlich 95% Konfidenz-IntervalleZirkulationstyp 12, Winter 1951-2006 MSLP OMEGA RHUM PREC
Zirkulationstyp 15, Winter 1951-2006 MSLP OMEGA RHUM PREC
Zirkulationstyp 11, Winter 1951-2006 MSLP OMEGA RHUM PREC
Starkniederschlagssummen Winter, % Veränderungen gegenüber 1971-2000,
basierend auf ECHAM6-Prädiktoren
* 95% Signifikanz
keine signifikanten Veränderungen
Region SÜD: deutlichste Abnahmen
Region N-STAU: Zunahme bei RCP8.5Das Wesentliche im Überblick: Starkniederschlagsrelevante Zirkulationstypen: Cut-off lows (unterschiedlich positioniert) zonale Zirkulationsmuster (für Norden und Westen) meridionale Zirkulationsmuster (für Süden) gemischte Zirkulationsmuster (insb. für Nordrand der Alpen)
Rezente Häufigkeitsänderungen der starkniederschlagsrelevanten
Zirkulationstypen:
nur vereinzelt signifikant
(spiegelt sich aber in regionalen Starkniederschlagstrends!)
Künftige Häufigkeitsänderungen der starkniederschlagsrelevanten
Zirkulationstypen:
Generell: Zunahme zonaler Muster im Winter,
gleichbleibende oder abnehmende Häufigkeiten snr ZT im Sommer,
geringste Anzahl signifikanter Änderungen im Herbst
aber auch verbreitet Diskrepanzen bei einzelnen Zirkulationstypen
zwischen den verschiedenen globalen KlimamodellenKünftige großflächige Starkniederschlags-Projektionen:
Frühjahr:
einzelne Zunahmen außerhalb des Alpenraums
Sommer:
2021-2050: Zunahmen v.a. für RCP8.5,
aber nicht mit EC-EARTH!
2071-2100: Abnahmen für RCP8.5 und meist auch A1B,
aber oft insignifikant mit EC-EARTH
beachte: nur gültig für großflächige Starkniederschläge!
Herbst:
keine signifikanten Änderungen
Winter:
Zunahmen u.a. in S-West und N-Stau für A1B v.a. in 2071-2100,
aber nicht mit ECHAM6 u. EC-EARTH!Numerische und Statistische Unsicherheiten basierend auf ECHAM6-Prädiktoren
Numerische und Statistische Unsicherheiten
Abweichung Starkniederschlagssummen [%]
basierend auf ECHAM6-Prädiktoren
Starkniederschlagssummen (mm)Verbesserungsmöglichkeiten in der Zukunftsabschätzung durch Berücksichtigung von Bodenfeuchte Persistenz typ-internen Charakteristika Instationaritäten …
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